Група фізиків з Австралії, США, Британії та Німеччини розробили новий спосіб захоплення і концентрування частинок з допомогою лазерного випромінювання. Прилад, запропонований авторами, генерує оптичний конус, який дозволяє направляти окремі нанорозмірні об’єкти в строго задану точку фокусу з великою точністю. Опис розробки опубліковано в журналі Physical Review Applied, коротко про нього повідомляє Physics.
Автори роботи скористалися тим, що частинки, що потрапили в промінь лазера з нерівномірною інтенсивністю випромінювання, прагнуть переміститися в точку із найменшою щільністю енергії. Це явище пов’язане з нагріванням макроскопічних частинок світлом і носить назву фотофореза. Шар газу, що оточує частку, виявляється в тепловому рівновазі з поверхнею частинки й усередині нього виникає тепловий градієнт. В результаті більш нагріті молекули газу передають частці більший імпульс, ніж молекули, атакуючі з холодної сторони — частинка починає зміщуватися в холодну область.
Ефект фотофореза. Зображення: Niko Eckerskorn et al. / Phys. Rev. Applied, 2015
Хвильовий фронт спірально закрученою світла (ліворуч), карта інтенсивності випромінювання (крайній правий стовпчик) і фаза хвилі світла в поперечному зрізі (посередині). Зображення: Wikimedia Commons
У новій роботі фізики використовували промінь лазера зі спірально закручених хвильовим фронтом. Такий тип випромінювання відрізняється тим, що його хвильовий фронт не є площиною або сферою, як у звичайних джерел, а поверхнею гвинта. Кожен фотон несе крім імпульсу ще й кутовий момент — теоретично, тіло, на яке ми будемо світити таким лазером, почне обертатися завдяки передачі цього моменту.
Схема експерименту. Зображення: Niko Eckerskorn et al. / Phys. Rev. Applied, 2015
Картина інтенсивності випромінювання в промені спірально закрученою світла виглядає схожою на порожнисту трубку: у центрі спостерігається мінімум, по краях — максимуми. Автори помістили на шляху такого випромінювання звичайну лінзу, перетворивши трубку в конус.
У експерименті промінь лазера був орієнтований вертикально вгору. Фізики поміщали в воронку графітовий кулька масою від 1 до 100 нанограм (мільярдних часток грама) і вивчали його поведінка за допомогою мікроскопа, розташованого перпендикулярно променю. Як і очікували автори, потужність лазера, необхідна для утримання кульок, сильно залежала від тиску навколишнього атмосфери. Разом з тим, вченим вдалося показати, що оптична воронка здатна концентрувати частинки в невеликій області простору — порядку кількох мікрометрів.
Залежність потужності лазера, необхідної для утримування кульки від тиску навколишнього атмосфери. Підвищення необхідної потужності в області низьких тисків пов’язано зі зміною механізму утримання — вирішальну роль починає грати тиск випромінювання. Зображення: Niko Eckerskorn et al. / Phys. Rev. Applied, 2015
Головним застосуванням для розробленої методики може стати позиціонування маленьких (субмікронних) біологічних об’єктів для вивчення їх структури. Приміром, для того, щоб вивчати структури білків або навіть вірусів за допомогою XFEL — найбільшого будується рентгенівського лазера — необхідно домогтися того, щоб в кожний момент лазерного імпульсу одна частинка зразка перебувала в заданій 100-нанометровій області. Кращі техніки, розроблені на сьогоднішній день, дозволяють забезпечити точність лише близько 50 нанометрів.
Також оптична схема може працювати як високоточні ваги, здатні визначати масу мікроскопічних частинок в діапазоні від декількох пикограмм (трильйонну частку грама) до десятків нанограм.
Автор: Володимир Корольов.
